JP2005271201A - 工作物表面を改善するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げ、及び表面の完全性を改善する方法及び装置であって、工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させるための方法及び装置、そしてまた工作物から完成部品又は製品を製造するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】一部の態様では、ノズルから工作物の表面及び工具に極低温物質の膨張噴流を噴射することができ、極低温物質はノズルの下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、切削（例えば、過剰な材料を切り屑の形で除去することによる部品の成形）及びその他のタイプの機械加工を含むが、それらに限定はされない種々のプロセスによる材料の成形と付形の分野に関し、より詳しく言えば、そのようなプロセスを通して成形及び付形された金属及びその他のエンジニアリング材料（例えばポリマー、及び種々のタイプの複合材料）の表面仕上げ及び表面の完全性を、極低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）冷却と、熱処理、化学処理及び機械加工処理を含むがそれらに限定はされないその他のタイプの処理とを利用することにより改善する分野に関する。

本明細書で使用される「切削」という用語は、次に挙げるが、それらには限定されない作業、すなわち、旋削、中ぐり、切断、溝削り、正面削り、平削り、転削、ドリル加工、及び連続的な切り屑、又は破片化もしくは断片化された切り屑を発生させるその他の作業、を包含する。切削という用語に、研削、放電加工、又は高圧噴流浸食切削、すなわち形状が明確でない極めて微細な切り屑、例えばダスト又は粉体、を発生させる研磨作業、は含まれない。

本明細書で使用される「完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）」という用語は品質に関連し、より具体的には、加工済工作物表面における所望の残留応力の状態、摩耗する工具の影響を受ける寸法精度、及び／又は通常の成形又は付形プロセスの結果生じることがよくある表面の人為的な影響あるいはその他の不所望な変質がないこと、に関連する。

製造業では、より多くの部品又は製品をより速く製造すること、すなわち、それぞれの部品又は製品をより速く、しかも１部品当たりのコストを高くすることなしに、又は部品の品質を犠牲にすることなしに生産することが必要とされている。より具体的に言うと、特定の良好な品質の部品又は製品を生産するのに必要な製造工程、例えば、一般的に熱処理前に実施される穏やかな粗化工程、又は一般的に熱処理後に実施される仕上げ研削と研磨／ホーニング工程、又は通常の機械加工用流体によって引き起こされる汚染が原因となって、部品、機械加工工具に対し、及び加工環境において実施されるクリーニング工程などの、数及び／又は範囲を最小化する改良された方法が必要である。更に、成形又は機械加工プロセスサイクルを完了させ、そして多くの金属製品の場合において、機械的な表面の完全性を向上させるかあるいは成形又は機械加工中に生じた有害な引張応力を除去するために用いられる、種々のピーニング、バニシ仕上げ、ばり取り、及び局在化されたディープローリング作業をなくすか又はそれらの作業の範囲を最小化することに、産業上関心が持たれている。また、成形作業及び機械加工作業を加速し、資本支出、例えば特定の生産目標に達するのに必要な機械加工工具の数を最小化し、及び／又は工具とこれに付随する消耗品のコストを低減するための、改善された方法も必要である。

米国特許第５８７８４９６号明細書（Ｌｉｕら）には、工具の送り速度及びコーナ半径を含めた通常の機械加工パラメーターを実験及びモデリングに基づいて操作することによって、許容可能な表面仕上げを有する硬質加工部品を製造する一方で、機械加工工程の数を減らすための方法が開示されている。しかし、この特許明細書は、生産性をいかにして改善するか、切削工具寿命をいかにして延ばすか、あるいは工作物表面の粗さをいかにして低減するかを教示してはいない。

クリーニング作業をなくし、種々のタイプの切削工具の生産性をもたらし、及び／又は機械加工された表面における不所望な微小構造上の変化を阻止するための、何らかの形の極低温噴霧又は噴射に関する従来技術の刊行物は比較的多数存在する。例えば、国際公開第０２／０９６５９８号パンフレット（Ｚｕｒｅｃｋｉら）、国際公開第９９／６００７９号パンフレット（Ｈｏｎｇ）、米国特許出願公開第２００３／０１４５６９４号明細書（Ｚｕｒｅｃｋｉら）、米国特許出願公開第２００３／０１１０７８１号明細書（Ｚｕｒｅｃｋｉら）、米国特許第５９０１６２３号明細書（Ｈｏｎｇ）、米国特許第５５０９３３５号明細書（Ｅｍｅｒｓｏｎ）、米国特許第４８２９８５９号明細書（Ｙａｎｋｏｆｆ）、及び米国特許第３９７１１１４号明細書（Ｄｕｄｌｅｙ）を参照されたい。しかし、これらの刊行物のいずれも、本明細書中で検討されるその他の従来技術の参考文献のいずれも、上記の問題を解決し、あるいは本明細書中で検討される必要性を満たすものではない。

米国特許第５７６１９７４号明細書（Ｗａｎｇら）には、切削工具の工作物接触エッジと接触する極低温熱交換器を使用することが開示されていて、熱交換器の使用によって極低温流体と工作物との直接的な接触が回避される。米国特許第５１０３７０１号明細書（Ｌｕｎｄｉｎら）には、工作物全体の極低温凍結により、鋭利なエッジを有するダイヤモンド切削工具が鉄の工作物材料と接触したときの工具寿命を改善することができることが開示されている。これら２つの特許明細書によって教示された方法は、工具の生産性を改善するが、第１の方法は工作物の表面仕上げ及び完全性を効果的に制御することができず、そして第２の方法は広範囲にわたる機械加工工具の変更を必要とし、これらの変更はほとんどの産業用途において許容できないほど高価になってしまう。

米国特許第５５９２８６３号明細書（Ｊａｓｋｏｗｉａｋら）には、極低温冷却を用いて、ポリマー工作物の機械加工中に生じた連続的な切り屑から不連続的な切り屑を作る方法が開示されている。切削工具又はポリマー工作物ではなく、切り屑を冷却することにより、この方法は工具生産性又は工作物の表面仕上げ及び完全性を改善することはない。

米国特許第６６２２５７０号明細書（Ｐｅｒｖｅｙ， ＩＩＩ）及び米国特許出願公開第２００２／０１７４５２８号明細書（Ｐｒｅｖｅｙ， ＩＩＩ）には、種々の製造作業（例えば旋削）から生じる工作物表面の不所望な引張り応力をなくすための方法、及び望ましい圧縮応力を付与するための方法が開示されている。工作物表面の圧縮残留応力は、製品部品の疲労強度及び疲労寿命を向上させる一方、応力腐食割れに対する感受性を低減することが知られている。応力腐食割れ、及び応力に促進されるその他の形態の金属腐食に対する抵抗が高められることは、金属部品製造者及び使用者にとって極めて有益である。残留表面応力分布を補正する（すなわちその圧縮成分を増大させる）ための主要な方法には、ショットピーニング及びレーザーピーニングが含まれ、これらは両方とも、工作物表面仕上げを悪化させるか又は損ない、そしてもしこれらが最大限に適用されると、工作物の粗さを増大させることが知られている。この問題の更なる説明が、米国特許第６６５８９０７号明細書（Ｉｎｏｕｅら）及び米国特許第６６６６０６１号明細書（Ｈｅｉｍａｎｎ）に見いだされ、後者はディープローリング、つまり製造された部品の表面に適用される別の応力固定方法を取り扱っている。これら４つの特許刊行物は、産業界が直面する重要でなおも未解決の２つの問題、すなわち、（ａ）成形又は付形工程に続いて残留表面応力を固定する費用のかかる付加的な製造工程をしばしば必要とすること、及び（ｂ）表面仕上げと応力固定作業中に付与された圧縮応力との間に存在する二律背反、を示す。明らかに、付加的な製造工程を必要とすることなしに表面仕上げと圧縮応力とを同時に向上させる、改善された成形、付形及び機械加工技術に対する必要性は満たされていない。

他の報告によれば、硬質鋼の通常の非極低温旋削中に、鋭利な切れ刃は表面仕上げを改善し、及び／又は所望の圧縮残留応力を若干高めるのに対して、工具の寿命及び生産性の点から好ましい、丸みを帯びた又はホーニング処理したエッジは、工作物表面をより粗く及び／又はそれへの圧縮作用を小さくする。Ｊ．Ｄ． Ｔｈｉｅｌｅ ａｎｄ Ｓ．Ｎ． Ｍｅｌｋｏｔｅ， Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｓｈ ｈａｒｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｆ ＡＩＳＩ ５２１００ ｓｔｅｅｌ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ９４（１９９９） ２１６−２２６、及びＦ． Ｇｕｎｎｂｅｒｇ， “Ｓｕｒｆａｃｅ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｈａｒｄ Ｔｕｒｎｉｎｇ”， Ｔｈｅｓｉｓ， Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， Ｃｈａｌｍｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｏｔｅｂｏｒｇ， Ｓｗｅｄｅｎ， ２００３。工作物表面仕上げに対するホーニング処理したエッジの形状寸法の影響は、工作物材料の硬度が増大するとともに減少することが観察されたが、しかし、許容可能な工具寿命及び高い生産性を維持しつつ、機械加工作業前又は作業中に工作物表面硬度を変更することにより、表面仕上げ及び完全性を制御するという見込みに関しての推断は下されなかった。

極めて類似する機械加工条件に関して報告された実験による粗さデータは、工作物硬度が増大すると常に粗さが増大することを示す、Ｔｈｉｅｌｅ及びＭｅｌｋｏｔｅによって示唆された材料硬度効果の暫定的な性質をはっきり示した。Ｔ． Ｏｚｅｌ， Ｔｓｕ−Ｋｏｎｇ Ｈｓｕ， ａｎｄ Ｅ．Ｚｅｒｅｎ， Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ， Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ Ｈａｒｄｎｅｓｓ， Ｆｅｅｄ Ｒａｔｅ ａｎｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ Ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ Ｆｉｎｉｓｈ Ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｆ Ｈａｒｄｅｎｅｄ ＡＩＳＩ Ｈ１３ Ｓｔｅｅｌ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （２００３）参照。

このように、従来技術は、上述の産業上の必要性に対して、矛盾するものでないとしても、断片的で不完全な解決策しかもたらさず、そして製造工程及びコストを低減する一方で工作物の表面仕上げ及び完全性を改善するためのより包括的な方法が必要であることを示している。単一の包括的な解決策を必要とする具体的なの範囲には、（ａ）工具の磨耗及びコストを低減し、生産速度を高め、そして製造プロセスからクリーニング工程をなくす能力にとって好ましい、極低温噴射を用いた機械加工中の切削工具の冷却及び硬化の有効性、（ｂ）追加の仕上げ工程が必要とされないように、機械加工中に形成される工作物表面の粗さを最小化し且つ圧縮応力を最大化することへの極低温噴射の適用、及び（ｃ）機械加工された表面の粗さを最小化し、ひいては仕上げ研削工程の必要性をなくす、切削前及び切削中の工作物材料特性の更なる変更、が含まれる。

国際公開第０２／０９６５９８号パンフレット 国際公開第９９／６００７９号パンフレット 米国特許出願公開第２００３／０１４５６９４号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１１０７８１号明細書 米国特許第５９０１６２３号明細書 米国特許第５５０９３３５号明細書 米国特許第４８２９８５９号明細書 米国特許第３９７１１１４号明細書 米国特許第５７６１９７４号明細書 米国特許第５１０３７０１号明細書 米国特許第５５９２８６３号明細書 米国特許第６６２２５７０号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１７４５２８号明細書 米国特許第６６５８９０７号明細書 米国特許第６６６６０６１号明細書 Ｊ．Ｄ． Ｔｈｉｅｌｅ ａｎｄ Ｓ．Ｎ． Ｍｅｌｋｏｔｅ， Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｓｈ ｈａｒｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｆ ＡＩＳＩ ５２１００ ｓｔｅｅｌ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ９４（１９９９） ２１６−２２６ Ｆ． Ｇｕｎｎｂｅｒｇ， "Ｓｕｒｆａｃｅ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｈａｒｄ Ｔｕｒｎｉｎｇ"， Ｔｈｅｓｉｓ， Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， Ｃｈａｌｍｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｏｔｅｂｏｒｇ， Ｓｗｅｄｅｎ， ２００３ Ｔ． Ｏｚｅｌ， Ｔｓｕ−Ｋｏｎｇ Ｈｓｕ， ａｎｄ Ｅ．Ｚｅｒｅｎ， Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ， Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ Ｈａｒｄｎｅｓｓ， Ｆｅｅｄ Ｒａｔｅ ａｎｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ Ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ Ｆｉｎｉｓｈ Ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｆ Ｈａｒｄｅｎｅｄ ＡＩＳＩ Ｈ１３ Ｓｔｅｅｌ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （２００３）

上述の必要性を満たしそしてここで検討された問題に対処する、工作物の表面仕上げ及び完全性を改善するための方法及び装置を手に入れることが待望されている。

従来技術の問題及び不都合を克服してより良好且つより有利な結果を提供する、工作物の表面仕上げ及び完全性を改善するための方法及び装置を手に入れることが更に待望されている。

従来技術の問題及び不都合を克服してより良好且つより有利な結果を提供する、工作物を成形又は付形するための方法及び装置を手に入れることが更に待望されている。

従来技術の製造プロセス及びシステムにおいて必要とされる１つ又は２つ以上の工程又は構成要素をなくす、完成部品及び完成製品を製造するための方法及び装置を体に入れることも待望されている。

発明者らの発明は、工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げ及び／又は表面の完全性を改善するための方法及び装置である。本発明の別の側面は、工作物を成形又は付形するための方法及び装置である。本発明の更に別の側面は、工作物から完成部品又は完成製品を製造するための方法及び装置である。本発明のこのほかの側面は、工作物を成形又は付形するための上記の方法及び装置によって成形又は付形された工作物、及び上記の製造方法及び製造装置によって製造された完成部品又は完成製品である。本発明には、工作物表面に極低温物質の膨張する噴流を噴射するためのノズルが含まれる。

工具で成形又は付形された所定の表面硬度を有する工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法である第１態様は、工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を高めることを含む。（「表面仕上げ」及び「表面の完全性」は上述の背景技術の項及び後述の発明を実施するための最良の形態の項で定義され、説明される。）この方法の第１態様の変形がいくつかある。

一つの変形態様においては、工具の少なくとも一部、又は工作物の一部、又は工具の少なくとも一部と工作物の少なくとも一部を極低温流体で冷却することにより、工作物の表面硬度を上昇させる。この変形態様の改変形では、極低温流体の噴流が工具の一部と工作物の表面の一部とに突き当たる。この改変形には変更形がいくつかある。

上記改変形の一つの変更形では、極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で工具の一部に突き当たる。もう一つの変更形では、極低温流体の噴流が、約３０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で工具の一部に突き当たる。更に別の変更形では、極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で工作物の表面に突き当たる。

工具で成形又は付形された所定の表面硬度を有する工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善する方法である第２の態様は、工具による工作物の成形又は付形前に、又は工具による工作物の成形又は付形中に、又は工具による工作物の成形又は付形前と成形又は付形中の両方で、工作物の表面硬度を増大させることを含む。この態様の変更形においては、熱処理、化学的処理及び機械的処理のうちの少なくとも１つによって、工作物の表面硬度を増大させる。

切削工具で機械加工された所定の表面硬度を有する工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法の第３の態様は、切削工具による工作物の機械加工中に工作物の表面硬度を増大させることを含み、工作物の表面硬度は、切削工具の少なくとも一部と工作物の少なくとも一部を極低温流体で冷却することにより増大させ、そして極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で切削工具の一部に突き当たり、また該極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で工作物の表面に突き当たる。

工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法の第４の態様は、複数の工程を含む。第１の工程は、極低温物質を供給することである。第２の工程は、工作物にノズルを隣接させることである。ノズルは複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、極低温物質の流れを受け取るのに適合した少なくとも１つの入口である。第２の構成要素は、該少なくとも１つの入口から極低温物質の流れの少なくとも一部を受け取るのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分である。第３の構成要素は、上流部分と流体連通し、且つ上流部分から極低温物質流の少なくとも一部を受け取るのに適合した下流部分である。第４の構成要素は、下流部分と流体連通し、且つ下流部分から極低温物質流の少なくとも一部を受け取って通過させるのに適合した、少なくとも１つの出口である。第３の工程は、極低温物質の一部をノズルの該少なくとも１つの入口に供給することであり、この極低温物質はノズルの下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される。第４の工程は、ノズルの該少なくとも１つの出口から、凝縮相部分と蒸気部分の膨張する噴流のうちの少なくとも一部を、工具と工作物の表面とに噴射することである。

第４の態様の変形態様では、ノズルの下流部分が少なくとも１つの散開壁と、膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有する。この変形態様の改変形では、該少なくとも１つの散開壁は所定の散開角を有し、そして該少なくとも１つの収束壁は該散開角よりも小さな収束角を有する。もう一つの変更形では、散開壁は周囲雰囲気に対して開いている。

もう一つの態様は、切削工具で機械加工された工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法である。この態様は複数の工程を含む。この態様の最初の３つの工程は、上述の方法の第４の態様の最初の３つの工程と同じである。第４の工程は、ノズルの該少なくとも１つの出口から切削工具と工作物の表面とに、凝縮相部分及び蒸気部分の膨張する噴流の少なくとも一部を噴射することであり、ここでは、ノズルの下流部分は周囲雰囲気に対して開いた少なくとも１つの散開壁と、膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有し、そして該少なくとも１つの散開壁は所定の散開角を有し、該少なくとも１つの収束壁は散開角よりも小さな収束角を有する。

本発明のもう一つの側面は、所定の表面硬度を有する工作物の成形又は付形方法である。この方法の第１の態様は複数の工程を含む。第１の工程は、工作物を成形又は付形するのに適合した工具を工作物に隣接させることである。第２の工程は、工作物を工具で成形又は付形することである。第３の工程は、工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させることである。

本発明のもう一つの側面は、上述の方法によって成形又は付形された工作物であって、改善された表面仕上げ、改善された表面の完全性、又は改善された表面仕上げと改善された表面の完全性の両方を特徴とする工作物である。本発明のこの側面にはいくつかの変形態様がある。

一つの変形態様では、工作物が、Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）に等しいかそれ未満である工作物表面粗さ（Ｒａ）を有し、前記式中のｆは切削工具の送り速度であり、ｒは切削工具のコーナ半径である。

もう一つの変形態様では、工作物は改善された残留応力を特徴とする成形又は付形された工作物表面を有し、この改善された残留応力は、工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させることなしに工作物を成形又は付形することにより得られる別の残留応力よりも圧縮性であるか、深くに達しているか、あるいはより圧縮性であって且つより深くに達している。

更に別の変形態様では、工作物は、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素を有する少なくとも１つの合金を含有する。

本発明のこの側面には更にそのほかの変形態様がある。１つのそのような変形態様では、工作物は、鋳造形態、鍛造形態、粉末冶金形態及び複合材料形態からなる群から選択された形態をとる。もう一つの変形態様では、工作物は、少なくとも１種のポリマー又は少なくとも１種のポリマー系複合材料を含有する。更に別の変形態様では、工作物は、改善された疲労強度、改善された疲れ寿命、改善された応力亀裂抵抗、及び改善された耐蝕性のうちの少なくとも１つを特徴とする、成形又は付形された工作物表面を有する。

もう一つの態様の、所定の表面硬度を有する工作物を機械加工するための方法は、複数の工程を含む。第１工程は、工作物を成形するのに適合した切削工具を工作物に隣接させることである。第２工程は、切削工具で該工作物を成形することである。第３工程は、切削工具による工作物の成形中に工作物の表面硬度を増大させることであり、成形された工作物は、Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）以下である所定の工作物表面粗さ（Ｒａ）を有する改善された表面仕上げを有することを特徴とし、前記式中のｆは切削工具送り速度であり、ｒは切削工具コーナ半径である。

本発明のもう一つの側面は、所定の表面硬度を有する工作物から完成部品又は完成製品を製造するための方法である。この方法の一つの態様は複数の工程を含む。第１工程は、工作物を成形又は付形するのに適合した切削工具を工作物に隣接させることである。第２工程は、工具で工作物を成形又は付形することである。第３工程は、該工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させることである。第４工程は、該工具で成形又は付形された工作物から完成部品又は完成製品を製造することである。

この方法の１つの変形態様では、完成部品又は完成製品を工作物から、匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに、該匹敵する表面硬度を有する匹敵する工作物から匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品を成形又は付形する、匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品を製造するための少なくとも１つの他の方法によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造し、前記少なくとも１つの付加的な作業は、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される。

本発明の別の側面は、上述の方法によって製造された、低減された製造コストを特徴とする完成部品又は完成製品であって、この低減された製造コストは、匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する該匹敵する工作物を成形又は付形する少なくとも１つの他の方法によって製造された匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品の場合のより高い製造コストよりも安い、完成部品又は完成製品である。

所定の表面硬度を有する工作物から完成品を製造するための方法のもう一つの態様は、複数の工程を含む。第１工程は、工作物を成形するのに適合した切削工具を工作物に隣接させることである。第２工程は、切削工具で工作物を成形することである。第３工程は、切削工具による工作物の成形中に工作物の表面硬度を増大させることである。第４工程は、切削工具で成形された工作物から完成品を製造することであり、該完成品は工作物から、匹敵する工作物の成形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに、該匹敵する表面硬度を有する匹敵する工作物から匹敵する完成品を成形する、匹敵する完成品を製造するための少なくとも１つの他の方法によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造され、前記少なくとも１つの付加的な作業は、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される。

工具で成形又は付形された、所定の表面硬度を有する工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置の第１の態様は、工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段を含む。この装置の第１態様にはいくつかの変形態様がある。

１つの変形態様では、工作物の表面硬度を、工具の少なくとも一部、又は工作物の少なくとも一部、又は工具の少なくとも一部と工作物の少なくとも一部とを、極低温流体で冷却することにより増大させる。この変形態様の改変形では、極低温流体の噴流が工具の一部と工作物の表面の一部とに突き当たる。この改変形の変更形がいくつかある。

上記改変形の１つの変更形では、極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で工具の一部に突き当たる。別の変更形では、極低温流体の噴流が、約３０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で工具の一部に突き当たる。更に別の変更形では、極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で工作物の表面に突き当たる。

工具で成形又は付形された所定の表面硬度を有する工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置の第２の態様は、工具による工作物の成形又は付形前に、又は工具による工作物の成形又は付形中に、又は工具による工作物の成形又は付形前と成形又は付形中の両方で、工作物の表面硬度を増大させるための手段を含む。この態様の変更形においては、熱処理、化学的処理及び機械的処理のうちの少なくとも１つによって、工作物の表面硬度を増大させる。

切削工具で機械加工された所定の表面硬度を有する工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置の第３の態様は、切削工具による工作物の機械加工中に工作物の表面硬度を増大させるための手段を含み、工作物の表面硬度は、切削工具の少なくとも一部と工作物の少なくとも一部を極低温流体で冷却することにより増大させ、そして極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で切削工具の一部に突き当たり、また極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で工作物の表面に突き当たる。

工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置の第４の態様は、複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、極低温物質の供給部である。第２の構成要素は、工作物に隣接するノズルである。このノズルは複数の副構成要素を含む。第１の副構成要素は、極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口である。第２の副構成要素は、該少なくとも１つの入口から極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分である。第３の副構成要素は、上流部分と流体連通し、且つ上流部分から極低温物質流の少なくとも一部を受け取るのに適合した下流部分である。第４の副構成要素は、下流部分と流体連通し、且つ下流部分から極低温物質流の少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、少なくとも１つの出口である。装置の第３の構成要素は、極低温物質の一部をノズルの該少なくとも１つの入口に供給するための手段であり、この極低温物質はノズルの下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される。第４の構成要素は、ノズルの少なくとも１つの出口から、凝縮相部分及び蒸気部分の膨張する噴流のうちの少なくとも一部を、工具と工作物の表面とに噴射するための手段である。

第４の態様の変形態様では、ノズルの下流部分は少なくとも１つの散開壁と、膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有する。この変形態様の改変形では、該少なくとも１つの散開壁は所定の散開角を有し、そして該少なくとも１つの収束壁は該散開角よりも小さな収束角を有する。もう一つの変更形では、散開壁は周囲雰囲気に対して開いている。

もう一つの態様は、切削工具で機械加工された工作物の表面仕上げ及び表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置である。この態様は複数の構成要素を含む。最初の３つの構成要素は、上述の装置の第４の態様の最初の３つの構成要素と同じである。第４の構成要素は、ノズルの該少なくとも１つの出口から切削工具と工作物の表面とに、凝縮相部分及び蒸気部分の膨張する噴流の少なくとも一部を噴射するための手段であり、ここでは、ノズルの下流部分は周囲雰囲気に対して開いた少なくとも１つの散開壁と、膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有し、そして該少なくとも１つの散開壁は所定の散開角を有し、該少なくとも１つの収束壁は散開角よりも小さな収束角を有する。

本発明のもう一つの側面は、所定の表面硬度を有する工作物を成形又は付形するための装置である。この装置の第１の態様は、複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、工作物に隣接し、工作物を成形又は付形するのに適合した工具である。第２の構成要素は、工作物を工具で成形又は付形するための手段である。第３の構成要素は、工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段である。

本発明のもう一つの側面は、上述の装置によって成形又は付形された工作物であって、改善された表面仕上げ、改善された表面の完全性、又は改善された表面仕上げと改善された表面の完全性の両方を特徴とする工作物である。本発明のこの側面にはいくつかの変形態様がある。

一つの変形態様では、工作物は、Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）に等しいかそれ未満である工作物表面粗さ（Ｒａ）を有し、前記式中のｆは切削工具の送り速度であり、ｒは切削工具のコーナ半径である。

もう一つの変形態様では、工作物は改善された残留応力を特徴とする成形又は付形された工作物表面を有し、この改善された残留応力は、工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段を使用することなしに工作物を成形又は付形することにより得られる別の残留応力よりも圧縮性であるか、深くに達しているか、あるいはより圧縮性であって且つより深くに達している。

更に別の変形態様では、工作物は、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素を有する少なくとも１つの合金を含有する。

工作物の更にそのほかの変形態様がある。１つのそのような変形態様では、工作物の少なくとも一部は、鋳造形態、鍛造形態、粉末冶金形態及び複合材料形態からなる群から選択された形態をとる。もう一つの変形態様では、工作物は、少なくとも１種のポリマー又は少なくとも１種のポリマー系複合材料を含有する。更に別の変形態様では、工作物は、改善された疲労強度、改善された疲れ寿命、改善された応力亀裂抵抗、及び改善された耐蝕性のうちの少なくとも１つを特徴とする、成形又は付形された工作物表面を有する。

もう一つの態様の、所定の表面硬度を有する工作物を機械加工するための装置は、複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、工作物に隣接し、工作物を成形するのに適合した切削工具である。第２の構成要素は、切削工具で工作物を成形するための手段である。第３の構成要素は、切削工具による工作物の成形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段であり、成形された工作物は、Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）以下である所定の工作物表面粗さ（Ｒａ）を有する改善された表面仕上げを特徴とし、前記式中のｆは切削工具送り速度であり、ｒは切削工具コーナ半径である。

本発明のもう一つの側面は、所定の表面硬度を有する工作物から完成部品又は完成製品を製造するための装置である。この装置の一つの態様は複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、工作物に隣接し、工作物を成形又は付形するのに適合した工具である。第２の構成要素は、工具で工作物を成形又は付形するための手段である。第３の構成要素は、工具による工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段である。第４の構成要素は、工具で成形又は付形された工作物から完成部品又は完成製品を製造するための手段である。

この装置の一つの変形態様では、完成部品又は完成製品を工作物から、匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する匹敵する工作物から匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品を成形又は付形する、匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品を製造するための少なくとも１つの他の装置によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造し、前記少なくとも１つの付加的な作業は、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される。

本発明のもう一つの側面は、前述の装置によって製造された、低減された製造コストを特徴とする完成部品又は完成製品であって、この低減された製造コストは、匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する該匹敵する工作物を成形又は付形する少なくとも１つの他の装置によって製造された匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品にについてのより高い製造コストよりも安い、完成部品又は完成製品である。

所定の表面硬度を有する工作物から完成品を製造するための装置のもう一つの態様は、複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、工作物に隣接し、工作物を成形するのに適合した切削工具である。第２の構成要素は、切削工具で工作物を成形するための手段である。第３の構成要素は、切削工具による工作物の成形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段である。第４の構成要素は、切削工具で成形された工作物から完成品を製造するための手段であり、該完成品は工作物から、匹敵する工作物の成形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに、該匹敵する表面硬度を有する匹敵する工作物から匹敵する完成品を成形する、匹敵する完成品を製造するための少なくとも１つの他の装置によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造され、前記少なくとも１つの付加的な作業は、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される。

本発明のもう一つの側面は、工作物の表面に極低温物質の膨張する噴流を噴射するためのノズルである。ノズルの第１の態様は複数の構成要素を含む。第１の構成要素は、極低温物質の流れを受け取るのに適合した少なくとも１つの入口である。第２の構成要素は、該少なくとも１つの入口から極低温物質の流れの少なくとも一部を受け取るのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分である。第３の構成要素は、上流部分から極低温物質流の少なくとも一部を受け取るのに適合した、上流部分と流体連通する下流部分である。第４の構成要素は、下流部分から極低温物質流の少なくとも一部を受け取りそして通過させるのに適合した、下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口である。第５の構成要素は、極低温物質をノズルの下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離するための手段である。

ノズルの第２の態様は、第１の態様と類似するが、極低温物質の膨張噴流を制限するのに適合した内部膨張室を含み、このノズルはすくい面を有する切削工具をクランプするのに適合する。

本発明の第１の態様のいくつかの変形態様がある。一つの変形態様では、ノズルの下流部分が少なくとも１つの散開壁と、極低温物質の膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有している。この変形態様の改変形では、散開壁は所定の散開角を有しており、収束壁は散開角よりも小さな収束角を有している。もう一つの改変形では、散開壁は周囲雰囲気に対して開いている。

もう一つの態様は、工作物の表面に極低温物質の膨張する噴流を噴射するためのノズルである。この態様は複数の構成要素を含む。この態様の最初の５つの構成要素は、ノズルの第１の態様の最初の５つの構成要素と同じである。第６の構成要素は、極低温物質の膨張噴流を制限するのに適合した内部膨張室であり、ここではノズルの下流部分は周囲雰囲気に対して開いた少なくとも１つの散開壁と、極低温物質の膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有しており、そして散開壁は所定の散開角を有し、収束壁は散開角よりも小さな収束角を有しており、また、ノズルはすくい面を有する切削工具をクランプするのに適合している。

添付の図面を一例として参照しながら、本発明を説明する。

本発明は、工作物材料の硬度を増大させることにより、工作物材料の表面仕上げを改善し、又は表面粗さを低減し、そして表面の完全性を改善するか又は圧縮残留表面応力を増加させるための方法及び装置を包含する。ここでは切削工具による工作物材料の機械加工に関連して本発明を説明するとは言え、当業者は、本発明がより幅広い用途を有し、そして機械加工、ローリング、曲げ加工、スタンピング、ならい削り、引抜き等のその他のタイプを含むがそれらに限定はされない、多くのその他の成形及び付形プロセスで使用できることを認識しよう。

工作物材料は、機械加工及びその他の成形作業に先立ち、好適な熱処理、化学的処理又は機械的処理によって硬化させることができる。これらの処理の一例としては、変態硬化、例えばマルテンサイト鋼の焼入れ−焼戻し、Ｊ．Ｙ．Ｈｕａｎｇら（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｔｒｅａｔｅｄ Ｍ２ ｔｏｏｌ ｓｔｅｅｌ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ａ３３９， ２００３， ｐｐ２４１−２４４）によって例示されるような低温急冷処理、拡散浸炭、窒化、炭窒化、焼成、エージング、レーザーグレージング、溶接アーク（ＧＴＡＷ）凝固硬化、ポリマー架橋及び紫外線硬化、ショットピーニング又は圧延、鍛造、冷間押出し及び引抜きによる加工硬化、冷間プレス、緻密化又はコイニング、及びこれらの組み合わせ、そしてまた工作物材料のタイプに応じて選択される一般に用いられるその他の処理が挙げられるが、それらに限定はされない。これらの工作物表面硬化作業の多くは本発明の成形工程直前に、例えば仕上げ切削用又は成形用工具が工作物表面に接触する直前に、同じ工作物の構成で、同じ製造システムで、又は同じ自動化移送ラインにおいて、実施することができることを理解すべきである。成形前に容易に採用できる硬化作業の一例は、高周波焼入れ、及びＫｕｍａｒら（米国特許第６４５４８７７号明細書）によって教示されているような炭素含有ガス流中でのレーザーによる表面処理である。

極低温冷却は、工作物材料を液相、気相又は固相の極低温物質と接触させることにより行うことができる。いずれも１気圧における水の凝固点をずっと下回る温度で沸騰する好ましい不活性の極低温液体には、液体窒素、液体アルゴン、液体二酸化炭素、及び液体ヘリウムが含まれる。とは言え、当業者は、液体、気体及び固体粒子のその他の極低温混合物を極低温物質として使用できることを認識しよう。

好ましい極低温冷却法は、極めて局所化されるべきであり、且つ短期の硬化効果を生ずるべきである。極低温流体を噴射又は噴霧することにより、費用がかかり実際的でない工作物全体の凍結が必要でなくなる。本発明の硬化表面処理技術は、機械加工のために使用される供給材料よりも硬質の最終製品を手に入れることが所望される場合に用いることができるのに対して、極低温冷却技術は、機械加工後に初期材料硬度を保持することが所望される場合に用いることができる。また、表面処理によって機械加工作業前に、そしてまた極低温冷却によって機械加工作業中に、工作物材料を硬化させて、機械加工された製品の表面仕上げと表面の完全性を最大化することができる。

本発明のもう一つの側面は、切削工具、あるいは別の成形又は付形用工具、及び工作物表面に極低温流体を噴射する最適化された方法であり、この方法は、特定の冷却要件及び工作物材料硬化要件を満たすと同時に工具の寿命を最大限にし、それにより製造生産性を高め、消費される冷却剤のコストを含めた製造コストを低減するように試行錯誤することによって開発された。また、機械加工のための新しいタイプの極低温物質ノズルも開発された。従って、本発明は、加工された製品の表面仕上げと表面の完全性を改善し（これらの製品が硬質である場合にも）、且つ使用者が複数の製造工程を省略するのを可能にする清浄で、コスト効率的で、高速化された製造方法を包含する。

発明者らが金属、複合材料及びポリマーの工作物材料を仕上げ旋削するのに本発明を用いている間に、種々のことが観察され、発見された。これらの観察及び発見の一部を以下で説明する。

工具すくい面に向けられたノズルを使用して圧縮液体窒素（ＬＩＮ）冷却剤、又は別の液体極低温冷却剤を膨張させて１気圧の噴流（ジェット）にすると、その工具すくい面を圧縮ＬＩＮと接触させるよりも効果的に工具を冷却することになる。この効果の原因となる正確な冷却メカニズムは明らかではないが、発明者らの考えによれば、それは工具に突き当たる減圧された液滴の温度がより低いことにより説明することができる。１気圧におけるＬＩＮの標準温度は−３２０°Ｆであり、一方、１２０ｐｓｉｇに圧縮されたＬＩＮの温度は−２７５°Ｆ（すなわち４５°Ｆ高い）である。発明者らの観察によれば、工具の冷却は、１気圧以下の圧力のＬＩＮの高速移動する噴射又は噴霧が工具表面に突き当たるときに最も効果的である。

図１Ａは、高速移動する極低温流体噴流２０が１気圧で工具すくい面１４に突き当たる本発明の一つの態様の側面図を示している。構成要素には、切削工具１２（又は切削インサート）、工具すくい面１４、工具ホルダー１６、噴流２０を放出する管状ノズル１８、そして工作物２２が含まれる。工具すくい面１４の冷却が最も好ましい方法ではあるが、その他の工具表面、例えば主逃げ面と副逃げ面又は後逃げ面（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｆｌａｎｋ）など、の冷却も本発明の範囲内である。

工具すくい面１４は、切れ刃の後ろに延在しそして工作物２２から剪断により除去された材料切り屑と接触した状態にある切削工具１２（又は切削インサート）の表面である。（すくい面は、切り屑の流れを工作物から離れる方向に導く、切れ刃に隣接した切削工具表面である。すくい面は、完全に平らでも、面取りされていてもよく、あるいは、切り屑の流れ及び／又は切り屑の破断の制御を改善するために成形又はプレートの付加によって作られたより複雑な三次元トポグラフィを有することができる。）

ここで使用する「切削工具」及び「切削インサート」という用語は、置き換え可能である。切削インサートは、硬質材料、例えばＷＣ−Ｃｏ、ＣＢＮ、Ａｌ₂Ｏ₃又はＳｉ₃Ｎ₄から作製され、切れ刃とすくい面とを有し、そして適当な工具ホルダーに取り付けられる、交換式のスローアウェイ切削工具である。

図１Ｂ及び１Ｃは、図１Ａに示された態様の特定の特徴を説明するものであり、それらの特徴を以下で説明する。図１Ａ〜１Ｃの矢印は、工作物２２の回転方向、工具の切削深さ（ｄ）、送り（ｆ）、及びノズル１８内への極低温流体の供給を示している。

図１Ｃは、Ａで指示される噴霧突き当たり領域を示す。工具すくい面１４への噴霧突き当たり領域（Ａ）を広くすると、切削工具１２の冷却が改善されることになる。しかし、すくい面とノズル１８の出口との間隔を増加させて噴霧突き当たり領域を広くすると、噴流２０が空気中を移動する場合、冷却効率が低減する。発明者らの考えによれば、この観察結果は、質量−束密度又は突き当たり密度の低下に加えて、空気が膨張噴流中へ同伴されるのと極低温液滴が飛行中に過剰に沸騰することに起因する。

工具すくい面１４に対して垂直な平面内に位置する噴流衝突角度（α）を０°（接線方向）から９０°（法線方向）へと大きくすると、切削工具１２の冷却が著しく改善されることになり、その結果工具の寿命が長くなり、あるいはより多くの熱を発生させるより高速の切削及び／又はより硬質の工作物の切削が可能になる。図１Ａは、切削工具１２のバックグラウンドに対する衝突角（α）、工具ホルダー１６、工作物２２、及び管状噴射ノズル１８を示す。硬質工作物又は硬化された工作物の効果的な切削には大きな衝突角（α）が必要であり、この角度の効果は工作物の硬度に比例する。

工具すくい面１４の平面内に位置する噴流広がり角（β）を増大させると、工作物表面粗さが低下する。図１Ｂ及び１Ｃは、円形切削工具１２のバックグラウンドに対する噴流広がり角（β）、工具ホルダー１６、工作物２２、及び管状噴射ノズル１８を示す。図１Ｃに示された、工具すくい面の衝突スポット又は噴霧突き当たり領域Ａと工作物表面との間隔Ｌは、重要ではない。それというのも、跳ねかけられる噴流は上述の自由な噴流ほどは空気を同伴しないからである。重要なのは、広がり角（β）が、跳ねかけられる噴流が少なくとも切削工具と工作物との接触長さ全体に達するのに十分であることである。接触長さは、図１Ｃに示された点ｂ１とｂ２との間の長さである。丸みのある工具、又はしばしば仕上げ作業で出くわす丸みのある角の曲がりを切削する工具の場合、接触長さｂ１−ｂ２は、図１Ｂ及び１Ｃに示された切削深さ（ｄ）、工具半径（ｒ）、及び工具送り速度（ｆ）から、次の式、

を使用して計算することができる。

特定の理論に縛られたくはないが、発明者らの考えによれば、工作物表面仕上げに及ぼす十分に大きい広がり角（β）の驚くべき望ましい効果は、工作物表面の冷却及び硬化、工作物材料の切り屑の薄い後端の冷却及び硬化、及び切削工具のトレーリングエッジの元の形状寸法の維持に関連している。切削工具のトレーリングエッジは表面仕上げを制御するが、しかし効率的な極低温冷却を行わなければより速く磨耗する。

広がり角（β）の増大から生じる工作物表面仕上げの改善度は、工作物材料の最初の硬度に反比例する。これは、工作物材料の初期硬度に対して正比例する衝突角（α）の工具寿命に及ぼす効果とは対照的である。言うまでもなく、様々な形状にされた工具（例えば多角形の工具）も、本発明による機械加工作業時で使用することができ、衝突角（α）及び広がり角（β）の所望の値を与えることができる。

対象となるすくい面の上方で、膨張する極低温流体噴流が少なくとも部分的に制限されている場合にだけ、衝突角（α）及び広がり角（β）を多かれ少なかれ正確に制御することが実際的に行われる。その理由は、単純な非制限型ノズル、例えば管状の及び／又は収束するもの、から放出された自由に膨張する非拘束型極低温噴流は、又は円形又は多角形断面を有し、はるかにより正確に噴射する収束−散開ノズルから放出された自由に膨張する非拘束型極低温噴流でさえも、上昇した供給圧から大気圧への減圧時に、半径方向に広くなるか又は「広がる（ｂｕｓｈ−ｏｕｔ）」傾向があるからである。半径方向に広がる範囲は、ノズルに入る極低温流の温度及び相組成（蒸気相含有率）に大きく依存する。極低温流の温度及び相組成は回避するのが難しい変動にさらされるので、膨張噴流が少なくとも部分的に制限されるノズルを使用するのが有益である。改善されたこのようなノズルはまた、沸騰する極低温流体と工具すくい面との表面接触領域又は噴霧突き当たり領域（Ａ）を最大化し、そしてその沸騰領域全体にわたる圧力増加を阻止し、すなわち本質的に１気圧を維持するはずである。

図２Ｂ〜２Ｅは、制限型ジェットノズル３２を使用する本発明の態様を示す。極低温流体噴流の半径方向への広がりと高温の周囲空気の同伴（図２Ａに示すような単純なノズルによって作られる自由膨張噴流の場合に典型的である）を防止するために、本発明のノズル３２（図２Ｂ〜２Ｅに示す）は、工具すくい面１４の真上に位置するドーム３０の内部で極低温流体を高い供給圧から大気圧まで膨張させる。

図２Ｂは流体噴流の制限原理を説明する。図２Ｂに示したように、ノズル３２の下流部分内で膨張及び減圧する間に、極低温噴流は分離して蒸気部分と凝縮相部分とになり、この凝縮相は典型的には液体流である。場合によっては、凝縮相部分は、微細な氷粒子を含むことがあり、又は、例えば低温二酸化炭素（ＣＯ₂）ガス又は液を膨張させる場合のように、極低温スラッシュを含むことがある。高い密度と慣性のために、凝縮相部分は本来の軸に沿って膨張し続けようとするが、収束壁３４に沿って変向されて膨張を続ける。本来の軸に対する、図２Ｂに示した収束壁の収束角３６は、所望の流体の減圧と噴流の膨張を保証するよう散開壁４２の散開角４０よりも小さくなければならない。

典型的には、収束壁３４の初期角は０°〜６０°でよいが、収束壁の曲率は、いくらかの距離を置いた下流側で増大することができ、本来の軸に対する収束壁の最終収束角３６は、９０°ほどになることができる。噴流衝突角アルファ（α）及び工具冷却効果を確定するのは、収束壁のこの最終収束角である。それは急であればあるほどよい。

典型的には、散開角は収束角３６よりも常に大きいことを制限条件として、散開角４０はノズル設計上のその他の考慮事項に応じて、本来の軸に対して３０°〜１７５°であることができる。こうして選択された壁の角度の最終結果として、凝縮相部分（例えば液体）から蒸気部分を分離することができ、また凝縮相部分を所望の方向に、且つ所望の角度で膨張させることができる。これらの結果は、分離された凝縮相部分（例えば液体）は蒸気部分よりも冷却効果が有意に高いことから、極めて重要である。

図２Ｃは、上述の原理に従って設計された制限型ノズル３２の作用を説明するものであり、工具すくい面１４の真上に位置するノズルのドーム３０又はキャビティ内で極低温物質を高い供給圧から大気圧（１ａｔｍ）に膨張させることを示すものである。ドームの底辺とすくい面との間隙は、ドーム内部に望ましくない圧力が形成されるのを阻止するのに十分なものである。最も所望の方向に極低温物質の大部分を放出するために、工作物２２に面した、ドームの底辺の前面に刻み目又は溝を形成することができる。前面の溝の形状と寸法は、広がり角（β）の所望の値を得るように選択することができる。ドームの高さ及び内部曲率は、所望の噴流衝突角（α）を与えるように選択することができる。更に、ドームの底辺の寸法を拡大することにより、噴霧突き当たり領域又は接触領域（Ａ）を都合よくに最大化することができる。

液体に基づく極低温流を噴射する場合、ドーム３０内での圧縮極低温物質の膨張により、実質的により低温の液と蒸気の相が形成される。液相は、密度が極めて高いため、上流に位置する収縮用オリフィスの方位により決定された本来の方向に膨張し続け、そしてドームの内壁で変向されることになる。その結果、液相は、ドームの曲率に対して接線方向の線の角度と同じ角度で、工具すくい面１４に突き当たる。こうして、衝突角（α）をドームの曲率及び高さにより容易に設定することができ、従って例えば３０°より、あるいは８０°よりも急な衝突角（α）とすることは難しくない。

極低温流体の液体部分がドーム３０の内部の曲率に沿って膨張し、前面の溝を通ってドームから出てゆく一方で、蒸気（液体よりもはるかに低い密度である）は、工具すくい面１４、及びドーム底辺とすくい面との間隙に向かって押し返される。本発明のノズル３２は本質的に、切削工具の最高温部分に向かって最も多くの冷却用液相を放射し、そしてドームの底辺を通して低温蒸気を取り出す、遠心式の相分離装置である。

図２Ｄ及び２Ｅは、ドーム３０の前部が球面状の曲率又はフラット湾曲壁で終えて液体極低温流の多かれ少なかれ収縮された流れを作ることができる本発明のノズル３２の２つの考えられ得る構造の上面図を示している。ドームの前部の形状に対応して、上流側に位置する収縮用オリフィスの形状を、球面状湾曲ドームの場合には円形に、またフラットな壁の湾曲ドームの場合にはスリット状にすることができる。

本発明のノズル３２は、機械加工された工作物表面から生じた切り屑が通常の冷却剤ノズルの周りで絡まり、それにぶつかり、又はその前方をふさぐ傾向のある、実際の旋盤機械加工環境によく適応する。ノズルのコンパクトな設計は、切削インサートを押さえ付ける通常のクランプの端部にそれを取付けるのを可能にし、あるいはノズルの後端部に保持ボルトを取り付けるのを可能にするので、それは同時にインサートクランプ及び冷却剤ノズルになる。

発明者らの観察によれば、工作物材料硬度の増大は、切削工具が有効寿命にある間、工作物表面の機械加工されたままの粗さを低下させる。このことは望ましいことであるが、しかし切削工具の有効寿命を短くする傾向があり、これは望ましくない。表面粗さは表面仕上げの最も一般的な尺度であり、仕上げ作業では表面仕上げを最大にし、あるいは粗さを最小にすることが望ましい。旋削における表面粗さを研削作業にとって一般的な低い値にまで低下させると、研削工程を省きそして製造プロセス全体を短縮して、それにより実質的に省力化することが可能である。製造業が直面する課題は、切削工具の寿命の短縮なしに、表面仕上げを改善することである。というのは、切削工具の寿命の短縮は生産コストを増加させ生産速度を不十分にするからである。極低温流体の衝突角（α）が十分に急である場合には、硬質工作物材料の切削中における短い工具寿命の問題は軽減される。

表面仕上げを改善し（すなわち粗さを低下させ）、そして表面の完全性を向上させる（すなわち圧縮応力を増大させる）工作物表面の硬化は、永久的であってもよく、あるいは一時的であって、材料表面が低温である限りにおいてのみ継続し、機械加工作業中だけ有効であってもよい。工作物表面の永久的な予備硬化は、熱処理、拡散浸炭、窒化、ポリマー架橋などを含むことができる。発明者らが観察したように、同じ工作物材料が、機械加工前に永久的な処理により硬化されると、表面仕上げをより良好にする。これは、広がり角（β）の増大を必要としない別の表面仕上げ改善法である。

しかし、工作物材料を予備硬化することと、十分に大きい広がり角（β）で噴霧される極低温物質を使用して機械加工中にそれを付加的に硬化することとを組み合わせると、しばしば表面仕上げが更に改善されることになる。発明者らの観察によると、既に予備硬化された工作物材料（例えば焼入れ及び焼戻し又は浸炭により硬化された鋼）に対して極低温冷却が用いられると、機械加工したままの表面粗さは、形式的に計算された理論上の粗さの限界（Ｒａ−ｔ）まできっかり低下し、そして切削工具のトレーリングエッジの形状寸法が正確であれば、機械加工したままの表面粗さは形式上の限界（Ｒａ−ｔ）未満にさえ低下する。

旋削における理想的な算術平均表面粗さ（ＡＡ）あるいは形式上のＲａ−ｔ限界は、通常、Ｃ． Ｆｅｎｇ， Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｔｕｒｎｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ， Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．２０３６， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００１ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（２００１）により、工具送り速度（ｆ）と工具コーナ半径（ｒ）から次のとおり計算される。

この計算は、幅広く受け入れられてはいるものの、概算にすぎない。なぜならば、工具の形状寸法と旋削工具の送り速度は、最大のピークから谷までの粗さ（Ｒｔ）の正確な計算を可能にするにすぎず、Ｒｔ／Ｒａ−ｔ＝ｍの比は一般的な旋削条件については単に推定値であるからである。仕上げ旋削における発明者らの実験的研究は、この比（ｍ）が３．６から７．８まで（Ｃ． Ｆｅｎｇによる）変動することを示してはいるものの、発明者らはここでは、Ｒａ−ｔ及びｍ＝４の表現を、旋削時の理想的な算術平均表面粗さ（ＡＡ）の規範的限界として使用する。

金属、複合材料及びポリマーの工作物材料の仕上げ旋削に関する発明者らの研究中になされた観察及び発見は、下記５つの定性的な式にまとめることができる。これらの式において、Ｒ_aは機械加工された表面の算術平均表面粗さ、Ｈは切削作業中の工作物材料の硬度、ｔは切削工具の寿命、αはノズルで制御される極低温噴流衝突角、Ａは沸騰する極低温流体が突き当たる工具すくい面のノズルで制御される面積、Ｈ_oは工作物材料の初期硬度、ΔＨ_pは随意的な予備硬化工程の結果としての工作物材料硬度の増加、βはノズルで制御される極低温噴流の広がり角、ｆは切削中の工具送り速度、ｒは工具コーナ半径、Ｒ_a-tは円形の切れ刃の理論上の粗さ限界、ｎ及びｍは試験片に対する機械加工試験から決定することができるゼロよりも大きい定数であり、そして「〜」という符号は比例を意味する。

（例１）
極低温噴流衝突角（α）が切削インサートの冷却に及ぼす効果を、種々の流量及び供給圧に関して評価した。２つの単純な管状のノズル、例えば図２Ａに示したようなものを使用して、液体窒素（ＬＩＮ）冷却剤を噴射した。ノズルの内部末端は、膨張する極低温噴流を真直ぐな壁又は収束作用しかない流体通路よりも正確に集中させることができる収束−散開（ＣＤ）性のラバル型流体通路を形成するように成形した。第１のＣＤノズルのスロートの最も狭い部分は直径０．０１９インチであり、第２のＣＤノズルは直径０．０２５インチであった。１２０ｐｓｉｇの供給圧で、小さい方のノズルは１．１ポンド／分のＬＩＮを噴射し、大きい方のノズルは１．８ポンド／分のＬＩＮを噴射した。６０ｐｓｉｇの低減された供給圧で大きい方のノズルを用いた付加的な試験が示すところによれば、膨張する噴流はより多く制限され、又は広がりがより小さく、そしてそのＬＩＮ流量は１．２ポンド／分であった。

各ノズルによって作られたＬＩＮ噴流を、仕上げ作業に一般的に用いられる切削インサート、すなわち比較的非伝導性のＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣＮセラミック複合材料から製作されたＣＮＧＡ／ＣＮＭＧ−４３２（ＩＳＯ）、のすくい面に向けた。各ノズルの出口とすくい面との軸線方向の間隔を０．５インチで一定に保った。４０°及び８５°の２つの衝突角（α）を、それぞれの噴射条件に関して評価した。ミクロ熱電対をインサートの真下、すなわちその切削コーナの下に配置して、ＬＩＮ噴射の最初の２分間の室温からの温度変化を監視した。図３のグラフの試験結果から、急な噴流衝突角（α＝８５°）が、切削インサートの迅速且つ効果的な冷却にとって最も重要な因子であることが示される。膨張中の噴流の広がりの効果はさほど重要でないが、無視することはできず、より多く制限された６０ｐｓｉｇの噴流は１２０ｐｓｉｇの噴流よりも効果的であった。最も驚くべきことに、ＬＩＮ流量の効果は、これら３つの因子のうちで最も重要性が低いことがわかり、コスト効果の最も高い極低温流体噴流冷却法は単に流量を最大にするのではなく、衝突角（α）とその制限を最適化しなければならないことが示された。

仕上げ旋削作業に使用される別の一般的な切削インサート、すなわち伝導性ＷＣ−Ｃｏカーバイドホルダーにろう付けされた熱伝導性立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）の切削コーナから作製されたＣＮＧＡ／ＣＮＭＧ−４３２を用いて、試験を繰り返した。急な噴流衝突角（α＝８５°）では、冷却速度は非伝導性セラミックインサートの場合と同じであることがわかり、ＣＢＮ／ＷＣ−Ｃｏの冷却速度は、前のものよりも、そしてより小さい衝突角が（α＝４０°）においてのみ、いくらか大きいにすぎなかった。従って、噴流衝突角（α）の制御はやはりこの場合にも、硬質工作物材料の効果的且つ高速の切削のために必要な切削工具のコーナの冷却にとって重要であることがわかった。

（例２）
鉄、グラファイト、銅及びニッケルの粉末を予混合してＦＮ−０２０８（ＭＰＩＦクラス）組成物（全て重量を基準として、０．８〜０．９％のＣ、０．８％のＮｉ、２．０％のＣｕ、残部がＦｅ）を得、圧縮して粉末冶金（Ｐ／Ｍ）ディスクにし、そして焼結して２つの異なる密度レベル、すなわち、多孔率１４．５％で６．６７ｇ／ｃｍ³（６．６７Ｍｇ／ｍ³）の「低密度」材料、及び多孔率７．７％で７．２０ｇ／ｃｍ³（７．２０Ｍｇ／ｍ³）の「高密度」材料にした。続いて、各密度群からのディスクの半分を、高レベルの見かけ硬度、すなわち低密度材料の場合には少なくとも３０ＨＲＣ、高密度材料の場合には少なくとも４０ＨＲＣを達成するために、通常の手順を用いて熱処理することにより表面硬化させた。

このように作製したＰ／Ｍディスクの表面機械加工を、次のパラメーター、すなわち、（１）切削速度１，０００ｆｔ／分（３０５ｍ／分、又は５．０８ｍ／秒）、（２）送り速度０．００７インチ／回転（０．１７８ｍｍ／回転）、及び（３）切削深さ０．００８インチ（０．２０３ｍｍ）、を用いて、２０ｋＷのＣＮＣ旋盤での一定速度作業で行った。「低含量」の商業的に入手可能な、２つの切れ刃を有するグレードＢＮ２５０（一般用ろう付けチップタイプ）の、コーティングされていないＰＣＢＮ切削インサートを使用した。インサート及びエッジの幾何学的形状は、次のとおり、すなわち、ＣＮＭＡ−４３３、ランド幅０．００５インチ（食い付き部の幅０．１２７ｍｍ）、面取り角−２０°、であった。すくい角−５°及び傾斜角−５°を特徴とする最も一般的に使用されるタイプの鋼製工具ホルダーに、インサートを取り付けた。機械加工の際には、インサート及びＰ／Ｍディスクへ多量の流体を送ることになる最も常套的な切削流体冷却方法を用いた。使用流体、すなわち水中に９容積％の乳化された油を含むものを、２０ｐｓｉｇ（１．３８ｂａｒ）の供給圧から管を通してインサートに向けて流した。

Ｔａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ， Ｌｔｄ．から入手可能な算術式のＲａ粗さメーターのＳｕｒｔｏｎｉｃ １０を使用して、機械加工されたＰ／Ｍディスクの表面仕上げを評価した。通常のミクロ硬度テスターを使用して、材料硬度をビッカーススケール（ｋＧ／ｍｍ²）により測定した。結果を下記の表１に示す。表面粗さの低下（すなわち硬度の増大を伴う表面仕上げの改善）が歴然と明らかであり、機械加工前の熱機械的な表面硬化が超仕上げのための効果的な手段であることが示される。

（例３）
例２からの焼結されたままの軟質Ｐ／Ｍディスクに、液体窒素（ＬＩＮ）の極低温噴流冷却、及び図２Ｃ及び図２Ｄに示された内部膨張室を有する工具クランプノズルを用いて、表面機械加工を施した。１．８ポンド／分のＬＩＮ質量流量、及び１００ｐｓｉｇ（６．８９ｂａｒ）の供給圧で、ノズルは、４５°に等しい衝突角（α）ですくい面に突き当たり、そして９０°に等しい広がり角（β）で側方へ広がる噴流を生じさせた。コスト効率の高い商業的に入手可能なＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系の、ＴｉＮでコーティング（ＰＶＤ）された、きめの細かい黒いセラミック切削インサートを使用した。このインサートは４つの切れ刃と、ＣＮＧＡ−４３３、ランド０．００８インチ（食い付き部の幅０．２００ｍｍ）、面取り角−２５°として特定される幾何学的形状とを有していた。インサート及び冷却法が異なることを別にすれば、他の全ての条件は例２におけるものと同じであった。

表２は、多量の流体を供給して機械加工された及びＬＩＮを用いて機械加工されたディスクの機械加工されたままの表面粗さと、平均の工具逃げ面摩耗（Ｖ_b-ave）が０．３０ｍｍの値に達する前の切れ刃の寿命を比較する。工作物材料及び切削工具のＬＩＮ冷却及び硬化の結果、表面仕上げも工具寿命も実質的に改善することが明らかである。

図４は、軟質品及び予備硬化品の切削に関与する工具の寿命を比較する。工具の寿命は、一般には材料硬度が増大するにつれて短くなるが、しかし硬質品の機械加工中にＬＩＮで冷却される工具の寿命はなおも、軟質品の機械加工中に従来のように多量の流体を供給して冷却される工具の寿命よりも長くなる。このように、製造プロセスからソフト機械加工工程を完全に省き、工作物表面を硬化させＬＩＮでの冷却を用いて仕上げ旋削を行うことは、コスト効率が高い。

（例４）
極低温噴流広がり角（β）が表面仕上げに及ぼす効果を、工作物材料の硬度及び塑性の関数として評価した。医療用コバルト−クロム合金である、平均硬度が４４ＨＲＣのＡＳＴＭ Ｆタイプ（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｗ−Ａｌ−Ｔｉ）を、中硬度の若干粘着性の機械加工材料として試験用に選択した。硬質工作物材料群の代表とするために、６０ＨＲＣの硬度を得るために焼入れそして低温で焼戻しすることにより、一般的な軸受鋼５２１００（１％Ｃ−１．５％Ｃｒ−０．３５％Ｍｎ−０．２０％Ｓｉ−残部Ｆｅ）を熱処理した。一定速度で作業する２０ｋＷのＣＮＣ旋盤を用い、そして同じタイプの商業的に入手可能な切削インサートと工具ホルダー、すなわち、低廉で商業的に入手可能な、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系のＴｉＮでコーティング（ＰＶＤ）された、食い付き部０．００４インチ、面取り角−２０°、そしてすくい角−５°の、きめの細かい黒色セラミックインサートＣＮＧＡ−４３２と、傾斜角−５°の工具ホルダーを用いて、両材料を切削した。機械加工のパラメーターは、表３に示したようにそれぞれの工作物材料ごとに異なっていた。

２つの工作物材料の機械加工に際し、２つのタイプの工具クランプ式／内部膨張室ノズル、すなわち、第一のものは図２Ｄに示したもので、広がり角（β）が９０°のもの、そして第二のものは図２Ｅに示したもので、広がり角（β）が２５°のもの、を使用した。噴流衝突角（α）は、両ノズルに関して同じであり、４５°に等しかった。各ノズルに１００ｐｓｉｇの圧力のＬＩＮを供給し、それぞれのノズルは１分当たり１．８ポンドのＬＩＮを噴霧した。

先の例と同様に、Ｔａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ， Ｌｔｄ．から入手可能な算術式の平均Ｒａ粗さメーターＳｕｒｔｏｎｉｃ １０を使用して、機械加工された製品の表面仕上げを調査した。ＡＡ又はＣＬＡ粗さとしても知られる、結果として得られた工作物表面粗さＲａを、次の規範的な式、すなわちＲａ−ｔ＝ｆ²／（８ｍｒ）、から推定される理論上の表面粗さ限界Ｒａ−ｔと比較した。この式中のｆは工具送り速度、ｒは工具コーナ半径であり、ｍは、ここでの表面仕上げ切削作業については３．９と想定される粗さ換算定数である。下記の表３の結果から、（１）大きな極低温噴流広がり角βは工作物表面仕上げを改善するが、その効果は工作物材料硬度に逆比例すること、（２）仕上げを理論上の粗さ限界Ｒａ−ｔを使用して評価する場合、より硬い及び／又は予備硬化された工作物材料はより良好な表面仕上げ１／Ｒａをもたらすこと、そして（３）予備硬化された工作物材料と、切削中に加えられる極低温冷却剤の硬化作用との組み合わせは、従来より受け入れられている理論上の粗さ限界Ｒａ−ｔ未満の工作物表面粗さレベルをもたらすことができること、が示される。

ＬＩＮでの硬化を用い、そしてまた旋削作業中のＬＩＮでの硬化と組み合わされた熱での予備硬化を用いて得られた、表３に示した低い粗さレベルは、下記表４に示した工業的な標準粗さレベルと比較すると、十分に評価することができる。このように、発明者らの切削法は工作物の表面仕上げを、通常の研削及びラッピング作業をなくすことができ、また上質の仕上げ品の製造コストが大幅に低減される程度まで改善する。

（例５）
工具の磨耗と冷却方法が表面仕上げに及ぼす効果を、図５に示すように評価した。工作物材料は例３と同じ５２１００軸受鋼であるが、平均表面硬度を５４ＨＲＣに低減するようにより高い温度で焼き戻した。切削速度を６５０ｆｔ／分から７５０ｆｔ／分に上昇させたが、送り速度、切削深さ、理論上の粗さ限界（Ｒａ−ｔ）、工具の保持、及びＬＩＮ供給法は、例４において５２１００材料について用いたのと同じであった。ＬＩＮ噴流の衝突角（α）と広がり角（β）は、それぞれ４５°及び２５°であった。流体を多量に供給する比較の機械加工試験では、例２におけるとおりの流体を多量に供給する方法を用いた。結果から、ＬＩＮで冷却された工具の逃げ面摩耗が流体を多量に供給された工具の逃げ面摩耗よりも少ないとは言え、ＬＩＮを用いて機械加工された材料の表面粗さは流体を多量に供給して冷却する場合よりも小さいことが示される。ＬＩＮによるインサートの冷却が強いことは切れ刃を保護し、そして、硬質工作物材料の表面仕上げを改善するのにＬＩＮの広がり角は小さくて十分である。更に、ＬＩＮを用いた場合の実際の粗さは、理論上の限界Ｒａ−ｔ未満になる。図５Ａ及び５Ｂは、逃げ面摩耗又は工具コーナの平坦化だけでは、ＬＩＮによる低粗さ効果を説明できないことを示している。表５は、同じ衝突角（α）及び広がり角（β）でＬＩＮ噴流を用いて機械加工された、より硬質の鋼（例４参照）及びより軟質の鋼（図５Ｂ参照）の表面仕上げを比較する。若干低めの切削速度で機械加工された、より硬質の５２１００の表面は他方のものよりも平滑であり、切れ刃の周りでの工作物材料と切り屑のミクロ塑性流れに違いがあることを示唆する。これは、切削中のＬＩＮ噴流冷却も、工作物表面の予備硬化も、表面粗さを制御する効果的な手段であることの補足的な証拠である。

（例６）
本発明のＬＩＮ表面硬化法を用いた仕上げエンドミル加工試験及び貫通孔ドリル加工試験のために、２５容積％のガラス充填ナイロン複合材料の試料、そしてまたポリプロピレン、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、キャストアクリル、及びアセタールホモポリマーＤｅｌｒｉｎ（商標）から製作したプレーンポリマーの試料を用意した。（Ｄｅｌｒｉｎ（商標）は、Ｅ．Ｉ． Ｄｕ Ｐｏｎｔ Ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である）。単純であるが正確に噴射する、ＣＤオリフィスで終わっている管状ノズルを使用して、ＬＩＮ噴流を、工具と工作物表面との接触ゾーン及びその周りに、０．５インチの距離から７５°の急な衝突角（α）で当てた。貫通孔ドリル加工の場合には、ドリルビットの出口側で工作物材料表面に第２のＬＩＮ噴流を当てた。結果が示すところによれば、ＬＩＮでの硬化により、機械加工中にこれらのポリマーの表面上に一般的に形成する筋状のばりが有意に減少した。また、貫通孔ドリル加工の場合の出口側のばりも、出口壁に接近するドリルチゼル前方の材料の塑性破断を最小化することによりなくなった。機械加工した表面の全体的な改善は、通常の乾式機械加工手法と比較した場合に、特に著しかった。観察された改善は、機械加工作業者が後続のばり取り工程を省略し、そしてポリマー製品の表面を汚染して付加的なクリーニング工程を必要とする通常の潤滑剤を多量に流す冷却の必要性をなくすのを可能にする。

（例７）
工作物表面の完全性、最も具体的に言うと残留応力分布に及ぼす極低温冷却の効果を、合金鋼リングの外径を仕上げハード旋削している間に評価した。リングは、焼き入れし焼き戻して６３ ＨＲＣの硬度にしたＭ５０グレード鋼（重量基準で、０．８５％Ｃ−４．１％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−１％Ｖ−残部Ｆｅ）で作製した。使用した旋盤及び工具ホルダーは例２〜５におけるのと同じであった。下記の全ての試験を通して、０．００３インチ／回転の１つの工具送り速度を使用した。

第１の試験である試験Ａは、例２において詳述した通常の流体を多量に供給する冷却を用い、そして、使用するのに費用のかかる商業的に入手可能なＣＢＮ切削インサートＣＮＧＡ ４３２ ＫＢ５６２５を使用した。試験Ａのために選択された工具、冷却法、及び切削速度は、ここ数年の間に試行錯誤によって開発され、理想的には高圧縮性であるべきであるが、工具の摩耗時又は速度がより速い場合により引張り性になることがある、結果として生じた残留応力に対して工具の寿命（すなわち工具のコスト及び生産性）を最適化するために採用されている、最も一般的な標準の工業用機械加工条件に相当する。次の３つの試験Ｂ、Ｃ及びＤは、例４において詳述した費用のかからないＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣに基づく切削インサートを使用した。試験Ｂ〜Ｄのために選択された、生産速度に対応する切削速度は、試験Ａによって示された通常のものよりも３．７倍以上速かった。

表６に、４つの全ての試験について使用した主要な条件及び冷却方法を提示する。それぞれの極低温試験では、冷却媒体としてＬＩＮを使用し、また図２Ｅに示した制限型噴射ノズルタイプを使用した。そのノズル内の収縮用オリフィスの形状は矩形であり、寸法は０．０８０インチ×０．０２５インチ±０．０１０インチであった。衝突角（α）を比較的急にし（６５°）、また広がり角（β）を狭く（２５°）して、工具と工作物との接触円弧の全長にわたる工具冷却効果を最大化した。試験Ｃ及びＤでは、二次ノズル、すなわち直径が０．０３５インチ±０．００５インチの制限オリフィス（スロート）を有する単純なＣＤノズルを同時に使用することにより、工作物材料に付加的な冷却及び硬化を施した。二次ノズルは、インサートのすくい面、及び接触長さの後ろ側、すなわち主要な制限用噴射ノズルによって形成されるＬＩＮ噴流の軸線の正しく下流側、の切れ刃に向けた。

Ｇ． Ｔｏｔｔｅｎらにより編集された“Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ”， ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｏｈｉｏ， ２００２， ｐｐ１１２−１１３に記載された、格子面間隔の変化に基づく標準的なＸ線回折法を用いて、上記の提示された条件下で機械加工したリングについて残留応力を測定した。材料表面下のより深いところの応力分布を明らかにするため、Ｘ線測定と被験材料の薄層の電解エッチングを段階式に繰り返す付加的な手順を用いた。製造産業において一般に用いられるこの段階式の手順は、Ｅ． Ｂｒｉｎｋｓらによる刊行物“Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃａｕｓｅｓ ｉｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”， Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ， Ｖｏｌ．３１／２／１９８２， ｐｐ４９１−５１０に記載されている。残留応力分布のＸ線測定結果は図６にプロットされている。

プロットが示すように、残留応力は４つの全ての事例において圧縮性であるが、極低温冷却を用いると、表面圧縮度と、圧縮応力が被処理材料に浸透することができる深さが有意に増加する。最良の結果は試験Ｃ及び試験Ｄの場合に得られ、両方とも冷却作用及び硬化作用の最も高い二重ノズルの配置を使用している。試験Ｃでは、試験Ｄよりも圧縮応力がわずかに小さくなる。これは、その切削深さが５０％大きく、すなわち材料に進入する熱の量、あるいは材料の軟化度が、より大きいためである。工作物表面及び工具材料を低温且つ硬質に維持することにより、開示された極低温法及び装置は、通常のＣＢＮ工具よりも高速切削し且つ生産性高く作業することができる、費用のそれほどかからない工具の使用を可能にする。更に、切削速度が速くなるにもかかわらず、開示された極低温法は圧縮残留応力（すなわち表面の完全性）を高め、ひいては、引張応力を有する表面の研磨での除去、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、及び機械加工して成形された製品の圧縮応力を回復するのに従来より用いられる同様の製造工程のような、下流側での付加的な作業の必要性を減らす。

本発明は、切削工具の寿命を短くすることなしに達成される改善された表面仕上げと表面の完全性によって特徴付けされる工作物表面をもたらす。これは、特定の上流側及び／又は下流側の製造工程、例えばソフト荒削り、及び研削／研磨、ピーニング、バニシ仕上げ及びばり取りを、製造産業が省くのを可能にする。また極低温機械加工において使用される場合にも、本発明は、使用者がクリーニング工程を省くのを可能にする。要約して言えば、本発明は、より高速に、より低い単価で、且つより少ない資本費を使用して、製品を生産する新しい可能性を提供する。

本発明が製品の品質を改善するのと、機械、鉱業、エネルギー、輸送、電気、電子、光学、及び医療用の部品及び設備の製造業者を含む、多数の産業部門における生産コストを低減するのを可能にすることを、当業者は認識するはずである。本発明に従って製造することができる部品の例には、金属シート、ストリップ、押出品、ならい削りによる付形品及びスタンプ加工品、スタンピング工具、ダイス、成形型、ドリル、ロール、シャフト、軸受け、ブッシュ、スピンドル、リング、シリンダー、弁、ファスナー、取付け部品、ホイール、歯車、ブレード、ゲージ、及びその他の測定器具、電極、ヒートシンク、マイクロチップパッケージ、スパッタリングターゲット、マスク、レーザーミラー、及びその他の光学部品、医療用インプラント及び計測器、そしてまた様々な精密寸法のプラスチック及び複合材料部品が含まれる。

特定の態様を参照しながら例示し説明してきたが、本発明はここに示した細目に限定されるものではない。それよりも、それらの細目に、特許請求の範囲に記載したのと同等の範囲内で、しかも本発明の精神から逸脱することなしに、種々の変更を加えることができる。

切削工具と工作物表面とに突き当たる極低温流体の主要パラメータ、すなわち、衝突角（α）、広がり角（β）、工具送り速度（ｆ）、切込み深さ（ｄ）、工作物材料と接触する工具曲率半径（ｒ）、衝突面積（Ａ）、及び衝突領域の中心と工作物部品表面との距離（Ｌ）を示す図であり、より具体的には、極低温流体の噴流が衝突角（α）で工具すくい面上に突き当たる本発明の一態様の模式側面図である。 切削工具と工作物表面とに突き当たる極低温流体の主要パラメータ、すなわち、衝突角（α）、広がり角（β）、工具送り速度（ｆ）、切込み深さ（ｄ）、工作物材料と接触する工具曲率半径（ｒ）、衝突面積（Ａ）、及び衝突領域の中心と工作物部品表面との距離（Ｌ）を示す図であり、より具体的には、極低温流体の噴流が工具表面上にはねかかり、次いで広がり角（β）で工作物表面に突き当たる本発明の一態様の模式上面図である。 切削工具と工作物表面とに突き当たる極低温流体の主要パラメータ、すなわち、衝突角（α）、広がり角（β）、工具送り速度（ｆ）、切込み深さ（ｄ）、工作物材料と接触する工具曲率半径（ｒ）、衝突面積（Ａ）、及び衝突領域の中心と工作物部品表面との距離（Ｌ）を示す図であり、より具体的には、極低温流体の噴流が工作物の加工表面から距離Ｌを置いて切削工具のすくい面に突き当たりスポットＡを形成する本発明の一態様の模式上面図である。 自由なノズル及び噴流を制限するノズルを使用して工具と工作物表面とに極低温流体を突き当てるための装置と方法を説明する図であり、より具体的には、周囲雰囲気、例えば空気などを同伴する、自由に膨張する極低温流体の噴流を使用する本発明の態様の模式側面図である。 自由なノズル及び噴流を制限するノズルを使用して工具と工作物表面とに極低温流体を突き当てるための装置と方法を説明する図であり、より具体的には、図２Ｃに示した本発明の態様におけるノズルの下流部分の模式側面図である。 自由なノズル及び噴流を制限するノズルを使用して工具と工作物表面とに極低温流体を突き当てるための装置と方法を説明する図であり、より具体的には、極低温流体の噴流が衝突角（α）ですくい面に突き当たる、すくい面の上方に位置した、断面で示された本発明の噴流を制限するドーム形の噴流ノズルを使用する本発明の態様の模式側面図である。 自由なノズル及び噴流を制限するノズルを使用して工具と工作物表面とに極低温流体を突き当てるための装置と方法を説明する図であり、より具体的には、極低温流体の噴流が広がり角（β）で工作物の表面に突き当たる、すくい面の上方に位置した、断面で示された本発明の噴流を制限する丸みを帯びたドーム形の噴流ノズルを使用する本発明の態様の模式上面図である。 自由なノズル及び噴流を制限するノズルを使用して工具と工作物表面とに極低温流体を突き当てるための装置と方法を説明する図であり、より具体的には、極低温流体が衝突領域Ａ全体にわたってすくい面と接触する、すくい面の上方に位置した、断面で示された本発明の噴流を制限する矩形のドーム形の噴流ノズルを使用する本発明の態様の模式上面図である。 極低温流体の衝突角（α）、供給圧力、及び流量が切削インサート工具の冷却速度に及ぼす効果を示すグラフである。 焼結したままで予備硬化された鉄粉末冶金工作物を切削する工具の寿命に及ぼす冷却法の効果を示すグラフである。 予備硬化された軸受鋼５２１００グレードを仕上げ旋削する際の本発明の側面を説明する図であって、より具体的には、工具の磨耗に及ぼす冷却法の効果を示すグラフである。 予備硬化された軸受鋼５２１００グレードを仕上げ旋削する際の本発明の側面を説明する図であって、より具体的には、工具の寿命の全体にわたる工作物表面の粗さを示すグラフである。 旋削の際に用いる冷却法が予備硬化された鋼Ｍ５０グレードの表面内及び表面下の残留応力分布に及ぼす効果を示すグラフである。

符号の説明

１２ 切削工具
１４ 工具すくい面
１６ 工具ホルダー
１８ ノズル
２０ 噴流
２２ 工作物
３２ 制限型噴流ノズル
３４ 収束壁
３６ 収束角
４０ 散開角
４２ 散開壁

Claims (60)

1. 所定の表面硬度を有する、工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法であって、該工具による該工作物の成形又は付形中に該工作物の表面硬度を増大させることを含む上記の方法。
2. 該工作物の表面硬度を、該工具の少なくとも一部、又は該工作物の少なくとも一部、又は該工具の少なくとも一部と該工作物の少なくとも一部を、極低温流体で冷却することにより増大させる、請求項１に記載の方法。
3. 該極低温流体の噴流が該工具の一部と該工作物の表面の一部とに突き当たる、請求項２に記載の方法。
4. 該極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で該工具の一部に突き当たる、請求項３に記載の方法。
5. 該極低温流体の噴流が、約３０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で該工具の一部に突き当たる、請求項３に記載の方法。
6. 該極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で該工作物の表面に突き当たる、請求項３に記載の方法。
7. 所定の表面硬度を有する、工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法であって、該工具による該工作物の成形又は付形前に、又は該工具による該工作物の成形又は付形中に、又は該工具による該工作物の成形又は付形前と成形又は付形中の両方で、該工作物の表面硬度を増大させることを含む上記の方法。
8. 熱処理、化学的処理及び機械的処理のうちの少なくとも１つによって該工作物の表面硬度を増大させる、請求項７に記載の方法。
9. 所定の表面硬度を有する、切削工具で機械加工された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するため方法であって、該切削工具による該工作物の機械加工中に該工作物の表面硬度を増大させることを含み、該工作物の表面硬度は、該切削工具の少なくとも一部と該工作物の少なくとも一部とを極低温流体で冷却することにより増大させ、そして該極低温流体の噴流が約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で該切削工具の一部に突き当たり、また該極低温流体の噴流が約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で該工作物の表面に突き当たる、上記の方法。
10. 工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための方法であって、
    極低温物質を供給する工程、
    該工作物にノズルを隣接させる工程であり、このノズルは、
    該極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口、
    該少なくとも１つの入口から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分、
    該上流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該上流部分と流体連通する下流部分、及び、
    該下流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、該下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口、
    を有する工程、
    該ノズルの該下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される該極低温物質の一部を、該ノズルの該少なくとも１つの入口に供給する工程、及び、
    該ノズルの該少なくとも１つの出口から、該凝縮相部分及び該蒸気部分の膨張する噴流の少なくとも一部を、該工具と該工作物の表面とに噴射する工程、
    を含む上記の方法。
11. 該ノズルの該下流部分が、少なくとも１つの散開壁と、該膨張する噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 該少なくとも１つの散開壁が所定の散開角を有し、そして該少なくとも１つの収束壁が該散開角よりも小さな収束角を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 該散開壁が周囲雰囲気に対して開いている、請求項１１に記載の方法。
14. 切削工具で機械加工された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための法であって、
    極低温物質を供給する工程、
    該工作物にノズルを隣接させる工程であり、このノズルは、
    該極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口、
    該少なくとも１つの入口から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分、
    該上流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該上流部分と流体連通する下流部分、及び、
    該下流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、該下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口、
    を有する工程、
    該ノズルの該下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される該極低温物質の一部を、該ノズルの該少なくとも１つの入口に供給する工程、及び、
    該ノズルの該少なくとも１つの出口からの該凝縮相部分及び該蒸気部分の膨張する噴流の少なくとも一部を、該切削工具と該工作物の表面とに噴射する工程、
    を含み、該ノズルの該下流部分が周囲雰囲気に対して開いた少なくとも１つの散開壁と、該膨張する噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有し、そして該少なくとも１つの散開壁が所定の散開角を有し、該少なくとも１つの収束壁が該散開角よりも小さな収束角を有する、上記の方法。
15. 所定の表面硬度を有する工作物の成形又は付形方法であって、
    該工作物を成形又は付形するのに適合した工具を該工作物に隣接させる工程、
    該工作物を該工具で成形又は付形する工程、及び、
    該工具による該工作物の成形又は付形中に該工作物の表面硬度を増大させる工程、
    を含む上記の方法。
16. 改善された表面仕上げ、改善された表面の完全性、又は改善された表面仕上げと改善された表面の完全性の両方を特徴とする、請求項１５に記載の方法によって成形又は付形された工作物。
17. Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）（この式中、ｆは切削工具の送り速度であり、ｒは切削工具のコーナ半径である）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）以下である工作物表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１６に記載の工作物。
18. 改善された残留応力を特徴とする成形又は付形された工作物表面を有し、この改善された残留応力は、工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させることなしに工作物を成形又は付形することにより得られる別の残留応力よりも大きな圧縮性を有するか、より深くに達しているか、あるいはより大きな圧縮性を有し且つより深くに達している、請求項１６に記載の工作物。
19. コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びチタン（Ｔｉ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素を有する少なくとも１つの合金を含有する、請求項１６に記載の工作物。
20. 該工作物の少なくとも一部が、鋳造形態、鍛造形態、粉末冶金形態及び複合材料形態からなる群から選択された形態をしている、請求項１６に記載の工作物。
21. 少なくとも１種のポリマー又は少なくとも１種以上のポリマー系複合材料を含有する、請求項１６に記載の工作物。
22. 改善された疲労強度、改善された疲れ寿命、改善された応力亀裂抵抗、及び改善された耐蝕性のうちの少なくとも１つを特徴とする成形又は付形された工作物表面を有する、請求項１６に記載の工作物。
23. 所定の表面硬度を有する工作物を機械加工するための方法であって、
    該工作物を成形するのに適合した切削工具を該工作物に隣接させる工程、
    該切削工具で該工作物を成形する工程、及び、
    該切削工具による該工作物の成形中に該工作物の表面硬度を増大させる工程、
    を含み、該成形された工作物の特徴が、Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）（この式中、ｆは切削工具の送り速度であり、ｒは切削工具のコーナ半径である）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）以下である工作物表面粗さ（Ｒａ）を有する改善された表面仕上げである、上記の方法。
24. 所定の表面硬度を有する工作物から完成部品又は完成製品を製造するための方法であって、
    該工作物を成形又は付形するのに適合した切削工具を該工作物に隣接させる工程、
    該切削工具で該工作物を成形又は付形する工程、
    該切削工具による該工作物の成形又は付形中に該工作物の表面硬度を増大させる工程、及び、
    該工具で成形又は付形された工作物から完成部品又は完成製品を製造する工程、
    を含む上記の方法。
25. 該工作物から該完成部品又は該完成製品を、匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する該匹敵する工作物から成形又は付形を行う、匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品を製造するための少なくとも１つの他の方法によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造し、前記少なくとも１つの付加的な作業が、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される、請求項２４に記載の方法。
26. 匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する該匹敵する工作物を成形又は付形する少なくとも１つの他の方法によって製造された匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品の場合のより高い製造コストよりも安い低減された製造コストを特徴とする、請求項２４に記載の方法により製造された完成部品又は完成製品。
27. 所定の表面硬度を有する工作物から完成品を製造するための方法であって、
    該工作物を成形するのに適合した切削工具を該工作物に隣接させる工程、
    該切削工具で該工作物を成形する工程、
    該切削工具による該工作物の成形中に該工作物の表面硬度を増大させる工程、及び、
    該切削工具で成形された工作物から完成品を製造する工程、
    を含み、該工作物から該完成品を、匹敵する工作物の成形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する匹敵する工作物から成形を行う、匹敵する完成品を製造するための少なくとも１つの他の方法によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造し、前記少なくとも１つの付加的な作業が、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される、上記の方法。
28. 所定の表面硬度を有する、工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置であって、該工具による該工作物の成形又は付形中に該工作物の表面硬度を増大させるための手段を含む上記の装置。
29. 該工作物の該表面硬度を、該工具の少なくとも一部、又は該工作物の少なくとも一部、又は該工具の少なくとも一部と該工作物の少なくとも一部とを、極低温流体で冷却することにより増大させる、請求項２８に記載の装置。
30. 該極低温流体の噴流が、該工具の一部と該工作物の表面の一部とに突き当たる、請求項２９に記載の装置。
31. 該極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で該工具の一部に突き当たる、請求項３０に記載の装置。
32. 該極低温流体の噴流が、約３０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で該工具の一部に突き当たる、請求項３０に記載の装置。
33. 該極低温流体の噴流が、約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で該工作物の表面に突き当たる、請求項３０に記載の装置。
34. 所定の表面硬度を有する、工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置であって、該工具による該工作物の成形又は付形前に、又は該工具による該工作物の成形又は付形中に、又は該工具による該工作物の成形又は付形前と成形又は付形中の両方で、該工作物の表面硬度を増大させるための手段を含む上記の装置。
35. 該工作物の表面硬度を、熱処理、化学的処理及び機械的処理のうちの少なくとも１つによって増大させる、請求項３４に記載の装置。
36. 所定の表面硬度を有する、切削工具で機械加工された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置であって、該切削工具による該工作物の機械加工中に該工作物の表面硬度を増大させるための手段を含み、該工作物の該表面硬度は、該切削工具の少なくとも一部と該工作物の少なくとも一部とを極低温流体で冷却することにより増大させ、そして該極低温流体の噴流が約０°よりも大きく約９０°よりも小さい衝突角（α）で該切削工具の一部に突き当たり、また該極低温流体の噴流が約０°よりも大きく約１８０°よりも小さい広がり角（β）で該工作物の表面に突き当たる、上記の装置。
37. 工具で成形又は付形された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置であって、
    極低温物質の供給部、
    該工作物に隣接するノズルであって、
    該極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口、
    該少なくとも１つの入口から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分、
    該上流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該上流部分と流体連通する下流部分、及び、
    該下流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、該下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口、
    を有するノズル、
    該ノズルの該下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される該極低温物質の一部を、該ノズルの該少なくとも１つの入口に供給するための手段、及び、
    該ノズルの該少なくとも１つの出口から、該凝縮相部分及び該蒸気部分の膨張する噴流の少なくとも一部を、該工具と該工作物の表面とに噴射するための手段、
    を含む上記の装置。
38. 該ノズルの該下流部分が、少なくとも１つの散開壁と、該膨張する噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有する、請求項３７に記載の装置。
39. 該少なくとも１つの散開壁が所定の散開角を有し、そして該少なくとも１つの収束壁が該散開角よりも小さな収束角を有する、請求項３８に記載の装置。
40. 該散開壁が周囲雰囲気に対して開いている、請求項３８に記載の装置。
41. 切削工具で機械加工された工作物の表面仕上げと表面の完全性のうちの少なくとも一方を改善するための装置であって、
    極低温物質の供給部、
    該工作物に隣接するノズルであって
    該極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口、
    該少なくとも１つの入口から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分、
    該上流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該上流部分と流体連通する下流部分、及び、
    該下流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、該下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口、
    を有するノズル、
    該ノズルの該下流部分内で凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離される該極低温物質の一部を、該ノズルの該少なくとも１つの入口に供給するための手段、及び、
    該ノズルの該少なくとも１つの出口から、該凝縮相部分及び該蒸気部分の膨張する噴流の少なくとも一部を、該工具と該工作物の表面とに噴射するための手段、
    を含み、該ノズルの該下流部分が、周囲雰囲気に対して開いた少なくとも１つの散開壁と、該膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有し、そして該少なくとも１つの散開壁が所定の散開角を有し、該少なくとも１つの収束壁が該散開角よりも小さな収束角を有する、上記の装置。
42. 所定の表面硬度を有する工作物を成形又は付形するための装置であって、
    該工作物に隣接し、該工作物を成形又は付形するのに適合した工具、
    該工具で該工作物を成形又は付形するための手段、及び、
    該工具による該工作物の成形又は付形中に該工作物の表面硬度を増大させるための手段、
    を含む上記の装置。
43. 改善された表面仕上げ、改善された表面の完全性、又は改善された表面仕上げと改善された表面の完全性の両方を特徴とする、請求項４２に記載の装置により成形又は付形された工作物。
44. Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）（この式中、ｆは切削工具の送り速度であり、ｒは切削工具のコーナ半径である）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）以下である工作物表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項４３に記載の工作物。
45. 改善された残留応力を特徴とする成形又は付形された工作物表面を有し、この改善された残留応力は、工作物の成形又は付形中に工作物の表面硬度を増大させるための手段を使用することなしに工作物を成形又は付形することにより得られる別の残留応力よりも大きな圧縮性を有するか、より深くに達しているか、あるいはより大きな圧縮性を有し且つより深くに達している、請求項４３に記載の工作物。
46. コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びチタン（Ｔｉ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素を有する少なくとも１つの合金を含有する、請求項４３に記載の工作物。
47. 該工作物の少なくとも一部が、鋳造形態、鍛造形態、粉末冶金形態及び複合材料形態からなる群から選択された形態をしている、請求項４３に記載の工作物。
48. 少なくとも１種のポリマー又は少なくとも１種以上のポリマー系複合材料を含有する、請求項４３に記載の工作物。
49. 改善された疲労強度、改善された疲れ寿命、改善された応力亀裂抵抗、及び改善された耐蝕性のうちの少なくとも１つを特徴とする成形又は付形された工作物表面を有する、請求項４３に記載の工作物。
50. 所定の表面硬度を有する工作物を機械加工するための装置であって、
    該工作物に隣接し、該工作物を成形するのに適合した切削工具、
    該切削工具で該工作物を成形するための手段、及び、
    該切削工具による該工作物の成形中に該工作物の表面硬度を増大させるための手段、
    を含み、該成形された工作物の特徴が、Ｒａ−ｔ＝ｆ²／（３２ｒ）（この式中、ｆは切削工具の送り速度であり、ｒは切削工具のコーナ半径である）として計算した理論上の粗さ下限（Ｒａ−ｔ）以下である工作物表面粗さ（Ｒａ）を有する改善された表面仕上げである、上記の装置。
51. 所定の表面硬度を有する工作物から完成部品又は完成製品を製造するための装置であって、
    該工作物に隣接し、該工作物を成形又は付形するのに適合した工具、
    該工具で該工作物を成形又は付形するための手段、
    該工具による該工作物の成形又は付形中に該工作物の表面硬度を増大させるための手段、及び、
    該工具で成形又は付形された工作物から完成部品又は完成製品を製造するための手段、
    を含む上記の装置。
52. 該工作物から該完成部品又は該完成製品を、匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する該匹敵する工作物から成形又は付形を行う、匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品を製造するための少なくとも１つの他の装置によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造し、前記少なくとも１つの付加的な作業が、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される、請求項５１に記載の装置。
53. 匹敵する工作物の成形又は付形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する該匹敵する工作物を成形又は付形する少なくとも１つの他の装置によって製造された匹敵する完成部品又は匹敵する完成製品の場合のより高い製造コストよりも安い低減された製造コストを特徴とする、請求項５１に記載の装置により製造された完成部品又は完成製品。
54. 所定の表面硬度を有する工作物から完成品を製造するための装置であって、
    該工作物に隣接し、該工作物を成形するのに適合した切削工具、
    該切削工具で該工作物を成形するための手段、
    該切削工具による該工作物の成形中に該工作物の表面硬度を増大させるための手段、及び、
    該切削工具で成形された工作物から完成品を製造するための手段、
    を含み、該工作物から該完成品を、匹敵する工作物の成形中に該匹敵する工作物の匹敵する表面硬度を増大させることなしに該匹敵する表面硬度を有する匹敵する工作物から成形を行う、匹敵する完成品を製造するための少なくとも１つの他の装置によって必要とされる少なくとも１つの付加的な作業を用いることなしに製造し、前記少なくとも１つの付加的な作業が、研削、研磨、ホーニング、ばり取り、ピーニング、タンブリング、バニシ仕上げ、ディープローリング、ソフトアニーリング、ソフト機械加工、ソフト付形、ソフト成形、及び工作物部分クリーニングからなる群から選択される、上記の装置。
55. 工作物の表面に極低温物質の膨張する噴流を噴射するためのノズルであって、
    該極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口、
    該少なくとも１つの入口から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分、
    該上流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該上流部分と流体連通する下流部分、
    該下流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、該下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口、及び、
    該ノズルの該下流部分内で該極低温物質を凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離するための手段、
    を含む上記のノズル。
56. 該極低温物質の膨張噴流を制限するのに適合した内部膨張室を更に含み、工具すくい面を有する切削工具をクランプするのに適合している、請求項５５に記載のノズル。
57. 該下流部分が、少なくとも１つの散開壁と、該極低温物質の膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有する、請求項５５に記載のノズル。
58. 該散開壁が所定の散開角を有し、そして該収束壁が該散開角よりも小さな収束角を有する、請求項５７に記載のノズル。
59. 該散開壁が周囲雰囲気に対して開いている、請求項５７に記載のノズル。
60. 工作物の表面に極低温物質の膨張する噴流を噴射するためのノズルであって、
    該極低温物質の流れを受け入れるのに適合した少なくとも１つの入口、
    該少なくとも１つの入口から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該少なくとも１つの入口と流体連通する上流部分、
    該上流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れるのに適合した、該上流部分と流体連通する下流部分、
    該下流部分から該極低温物質の流れの少なくとも一部を受け入れて通過させるのに適合した、該下流部分と流体連通する少なくとも１つの出口、
    該ノズルの該下流部分内で該極低温物質を凝縮相部分と蒸気部分とに少なくとも部分的に分離するための手段、及び、
    該極低温物質の膨張噴流を制限するのに適合した内部膨張室、
    を含み、
    該ノズルの下流部分が、周囲雰囲気に対して開いた少なくとも１つの散開壁と、該極低温物質の膨張噴流に収束するのに適合した少なくとも１つの収束壁とを有し、
    該散開壁が所定の散開角を有し、そして該収束壁が該散開角よりも小さな収束角を有し、
    且つ該ノズルが工具すくい面を有する切削工具をクランプするのに適合している、
    上記のノズル。

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